组成图示
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传感器类型
纳米孔生物传感器
检测对象
靶标DNA寡核苷酸M13R（complementary to M13RC/DNA2）；样品基质：Qbuffer缓冲液（Tris-HCl 10 mM、0.1 M NaCl、pH 7）
检测原理
该传感器以氮化硅单孔中的离子电流作为换能信号。初始孔道开放时，在5 V电泳驱动下形成约1500–2000 nA的ON电流。当Dynal磁珠携带M13RCbio进入孔口，并与另一侧Qdot簇携带的M13RAbio形成跨孔错配双链后，磁珠和量子点簇共同堵塞孔道，电流降至OFF水平。若加入与M13RC完全互补的靶标M13R，靶标通过链置换结合M13RC并释放M13RAbio-Qdot簇，孔口机械约束解除；此时电磁铁可移除磁珠，离子电流恢复为ON。若加入非互补寡核苷酸，则不能发生置换，孔道保持阻断。该机制将DNA识别事件转化为可重复读出的ON/OFF电流开关。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或R^2。
效应效果
器件在804 nm单孔、5 V条件下可产生约1500–2000 nA的ON电流，孔堵塞后降至约100–500 nA，无孔背景约30 nA，信噪比良好且无需温控。非互补寡核苷酸对照不能引起链置换，电磁铁可恢复ON电流，显示一定选择性。Qdot量子点跨孔反应效率高于Fluosphere微球；但量子点非特异吸附于孔缘可造成部分堵塞，使ON电流不能完全恢复，延长孵育可提高置换可靠性。膜孔可重复使用约20–25次。作者认为该ON/OFF器件阈值约10^3–10^4个分子，适合DNA逻辑、混合生物电子电路及潜在细胞内探针应用。
传感器的构成
- 基底/换能器：100 nm Si3N4膜（聚焦离子束刻蚀804 nm单孔）与铂丝电极，构成离子电流换能器
- 机械锚定/阻断浮子：Dynal MyOne Streptavidin C1超顺磁珠（约1.0 μm），表面链霉亲和素，用于孔口机械阻断和电磁操控
- 识别元件：生物素化M13RCbio（DNA2）与生物素化M13RAbio（DNA1）经链霉亲和素/生物素连接形成跨孔错配双链
- 信号/阻断标记：Qdot 605 nm量子点（约20 nm）经链霉亲和素结合生物素化M13RAbio，形成量子点簇并参与孔口阻断
- 封闭剂：过量生物素（0.02 g/L）用于封闭未反应链霉亲和素位点，降低非特异结合
- 操控/读出：针状电磁铁（铜线绕磁针，1.5 V/0.25 A）与5 V电泳电源、电流/电压转换器，用于磁珠移除和ON/OFF电流读出
中文摘要
单纳米孔因可用于生物传感而受到关注。传统方法通常测量分析物穿过纳米孔时引起的瞬态离子电流阻断，但此类事件持续时间短，需要复杂且昂贵的设备，不利于常规检测。本文提出一种基于氮化硅膜中单个纳米孔的新型生物传感概念：利用两种锚定连接的DNA分子在孔内形成跨孔杂交体，实现对离子电流的稳定阻断；当分子识别事件改变DNA杂交体结构时，孔道打开并恢复离子电流。作者构建了磁珠/链霉亲和素/生物素-DNA1/DNA2-生物素/链霉亲和素/量子点簇复合体，使其通过亚微米孔，并在加入与DNA2互补的寡核苷酸后监测DNA链置换事件。文章讨论了该器件的电学、机械特性及其在生物传感中的应用潜力。
英文摘要
Single nanopores have attracted interest for their use as biosensing devices. In general, methods involve measuring ionic current blockades associated with translocation of analytes through the nanopore, but the detection of such short time lasting events requires complex equipment and setup that are critical for convenient routine biosensing. Here we present a novel biosensing concept based on a single nanopore in a silicon nitride membrane and two anchor-linked DNA species that forms trans-pore hybrids, realizing a stable blockade of ionic current through the pore. Molecular recognition events affecting the DNA hybrids cause a pore opening and the consequent establishment of an ionic current. In the present implementation of the device, we constructed a magnetic bead/streptavidin/biotin-DNA1/DNA2-biotin/streptavidin/Quantumdot-cluster complex (where DNA1 is a mismatched reverse complement of DNA2) through a sub-micrometric pore and monitored DNA strand displacement events occurring after addition of an oligonucleotide complementary to DNA2. The electric and mechanical aspects of the novel device, as well as its potential in biosensing are discussed.